小議中學(xué)物理模型的構(gòu)建

摘要：在中學(xué)物理教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)、理解、構(gòu)建物理模型，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的最有效途徑。概述了物理模型的定義及作用，并通過(guò)“抽象、等效”建模，“假設(shè)、類比”建模，“簡(jiǎn)化、形象”建模及信息題的強(qiáng)化訓(xùn)練等方法的介紹，以培養(yǎng)中學(xué)生物理建模的能力。

關(guān)鍵詞：物理模型；物理建模；創(chuàng)造性思維；創(chuàng)新能力

一、物理模型的概述

1.物理模型的定義

物理模型，就是把教學(xué)中所要研究的物理對(duì)象或物理過(guò)程通過(guò)抽象、理想化、簡(jiǎn)化、類比等方法，進(jìn)行去次取主、化繁為簡(jiǎn)的處理，把反映研究對(duì)象的本質(zhì)特征抽象出來(lái)，構(gòu)成一個(gè)概念或?qū)嵨锏捏w系。它有兩個(gè)主要特征：抽象性和形象性的統(tǒng)一，科學(xué)性與假定性的統(tǒng)一。物理建模是一種重要的科學(xué)思維方法，它能夠較好地培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和創(chuàng)新意識(shí)。在中學(xué)物理的學(xué)習(xí)中，通過(guò)物理建模能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生的抽象邏輯思維能力，是必須也是必要的。縱觀物理學(xué)的發(fā)展史，構(gòu)建物理模型對(duì)物理學(xué)的發(fā)展起著重要的作用。

物理模型既源于實(shí)踐，又高于實(shí)踐，在生活、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域中帶有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。物理模型的構(gòu)建是一種重要的科學(xué)思維方法，通過(guò)對(duì)物理現(xiàn)象或過(guò)程的分析，尋找出物理現(xiàn)象或物理過(guò)程的內(nèi)在本質(zhì)及內(nèi)在規(guī)律，以達(dá)到認(rèn)識(shí)問(wèn)題的目的。

2.物理建模的作用

物理模型是物理規(guī)律和理論得以建立的基礎(chǔ)，利用物理模型可解釋物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)規(guī)律，還可作出科學(xué)的預(yù)言。教學(xué)中構(gòu)建物理模型實(shí)質(zhì)上就是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，學(xué)生通過(guò)建立物理模型，尋找解題規(guī)律，形成解題思路，有利于物理思維能力的培養(yǎng)。

二、物理建模能力的培養(yǎng)

教育部2001年頒布的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》指出：“改變課程實(shí)施過(guò)于強(qiáng)調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背、機(jī)械訓(xùn)練的現(xiàn)狀，倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與，樂(lè)于探究，勤于動(dòng)手，培養(yǎng)學(xué)生收集和處理信息、獲取新知識(shí)的能力，分析和解決問(wèn)題的能力以及交流與合作的能力。”高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)也要求：“應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂(lè)于探究、勇于實(shí)踐、勤于思考。通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)與技能，使其逐漸形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神。”由此說(shuō)來(lái)，學(xué)習(xí)物理，關(guān)鍵是要提高物理建模能力。下面就對(duì)如何培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力提出一些看法。

1.“抽象、等效”建模

這種建模方法忽略了次要因素，突出了主要因素，簡(jiǎn)化了研究對(duì)象，將它等效成一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何模型。如：我們看不見(jiàn)、摸不著的電場(chǎng)、磁場(chǎng)都是客觀存在的物質(zhì)，但我們可設(shè)想電場(chǎng)線、磁場(chǎng)線的模型，并用頭發(fā)屑、鐵粉分別來(lái)顯示不同帶電粒子周圍的電場(chǎng)線、不同磁體周圍的磁場(chǎng)線的分布形狀，從而形象地描述出電場(chǎng)、磁場(chǎng)的一些特性，這樣就建立了場(chǎng)的概念。

2.“假設(shè)、類比”建模

在運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系問(wèn)題中，為了了解物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程，往往要采用假設(shè)、類比的方法，并結(jié)合各種圖像（如：v—t圖，s—t圖），構(gòu)建物體的運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系模型。其中最常見(jiàn)的一種運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系模型是物體自靜止開始在變力作用下做速度不斷增大、加速度不斷減小的變加速運(yùn)動(dòng)（當(dāng)加速度為零時(shí)，速度達(dá)到最大，合外力等于零）。運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系問(wèn)題是高中物理教學(xué)的難點(diǎn)，難點(diǎn)就在于對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行正確的受力分析和運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析。而利用圖像搞清物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，建立運(yùn)動(dòng)模型是比較有效的方法之一。

3.“簡(jiǎn)化、形象”建模

對(duì)于來(lái)源于現(xiàn)實(shí)生活中的有關(guān)運(yùn)動(dòng)的信息題，若物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜，不是常見(jiàn)的幾種形式的運(yùn)動(dòng)模型，則要注重對(duì)物體運(yùn)動(dòng)全過(guò)程的認(rèn)識(shí)，注重對(duì)物體運(yùn)動(dòng)發(fā)展變化過(guò)程的分析理解，深刻理解題意，深挖隱含條件，利用圖像，將抽象的物體問(wèn)題形象化，簡(jiǎn)化物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，更加真實(shí)、全面地再現(xiàn)和模擬現(xiàn)實(shí)，建立起物體的運(yùn)動(dòng)模型。如：質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、單擺、彈簧振子等都是對(duì)研究對(duì)象的一種簡(jiǎn)化。

4.強(qiáng)化信息題訓(xùn)練

解信息題一般由四步組成：第一步，獲取信息，排除跟問(wèn)題無(wú)關(guān)的干擾信息，找到有用的信息，并使之跟所學(xué)的物理知識(shí)發(fā)生聯(lián)系；第二步，整理信息，把題目中的日常生活、生產(chǎn)或現(xiàn)代科技背景抽去，去掉無(wú)用信息，純化為物理過(guò)程；第三步，建立物理模型，即在有用信息的基礎(chǔ)上根據(jù)所學(xué)物理原理建立簡(jiǎn)單的“物理模型”；第四步，列式求解。其中第二、三兩步是解信息題特有的，也是解信息題成敗的關(guān)鍵，完成了這兩步即實(shí)現(xiàn)了由信息題轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)題，也就得心應(yīng)手了。

如：開普勒發(fā)表了著名的開普勒行星運(yùn)動(dòng)三大定律。

第一定律：所有的行星分別在大小不同的橢圓軌道上圍繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)在這個(gè)橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。

第二定律：太陽(yáng)和行星的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積。

第三定律：所有行星的橢圓軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的平方的比值都相等。

實(shí)踐證明，開普勒三大定律也適用于人造地球衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。如果人造地球衛(wèi)星沿半徑為r的圓形軌道繞地球運(yùn)動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，衛(wèi)星速度降低并轉(zhuǎn)移到與地球相切的橢圓軌道。如右圖所示，問(wèn)：在這之后，衛(wèi)星經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間著陸？（空氣阻力不計(jì)，地球半徑為R，地球表面重力加速度為g。圓形軌道作為橢圓軌道的一種特殊形式。）

對(duì)題目進(jìn)行分析：

①此題的信息可分為四塊：一是開普勒三定律的內(nèi)容；二是開普勒三定律也適用于人造地球衛(wèi)星；三是人造地球衛(wèi)星由圓形軌道轉(zhuǎn)移到橢圓軌道；四是圓形軌道作為橢圓軌道的一種特殊形式。

②最有效的信息為開普勒第三定律，這是本題的突破口，開普勒第二定律幾乎是無(wú)效的，應(yīng)予忽略，其他信息是輔助信息。

③設(shè)衛(wèi)星質(zhì)量為m，圓形軌道半徑為r，運(yùn)動(dòng)周期為T，衛(wèi)星在圓軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，由圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)知識(shí)，可以得出衛(wèi)星的半徑和周期的關(guān)系。

由上述例子可知：提煉有效信息是解答聯(lián)系實(shí)際的信息題的關(guān)鍵。在提煉好的有效信息的基礎(chǔ)上，再結(jié)合平時(shí)所學(xué)的物理知識(shí)進(jìn)行回憶，根據(jù)題目的具體條件，通過(guò)類比、等效替換等手段，合理建立物理模型，從而達(dá)到解答信息題的目的。

三、結(jié)語(yǔ)

培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力，是高中物理教學(xué)必須重視的問(wèn)題。物理模型不僅是知識(shí)的結(jié)晶，還是思維的結(jié)晶，能有效考查學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解深度和廣度以及思維品質(zhì)和創(chuàng)新能力。在物理教學(xué)中，要有的放矢，增強(qiáng)學(xué)生的建模意識(shí)，重視物理模型的教學(xué)，這既有利于學(xué)生掌握物理知識(shí)，提高應(yīng)用知識(shí)的能力，又可以引導(dǎo)學(xué)生形成科學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣和方法，提高素質(zhì)；建立和正確使用物理模型還可以提高學(xué)生理解和接受新知識(shí)的能力。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位 廣東省河源市紫金縣藍(lán)塘中學(xué)）